1、第九章 鋼的化學(xué)熱處理掌握氣體滲碳工藝掌握滲碳后的熱處理掌握滲碳熱處理常見缺陷掌握滲碳后鋼的力學(xué)性能掌握氣體氮化原理掌握氮化前的熱處理和氣體氮化工藝1化學(xué)熱處理概述一、定義：工件活性待滲介質(zhì)中加熱擴(kuò)散改變表層化學(xué)成分的工藝二、作用及分類1、強(qiáng)化表面高的耐磨性（形成固溶體或 化合物）2、保護(hù)表面滲Al 抗氧化、抗S腐蝕滲Cr 耐熱、抗腐蝕 化合物氣相沉積TiN 與基體金屬無關(guān) 的覆蓋層裝飾、耐磨分 類按滲入元素的性質(zhì)分為滲非金屬包括滲碳、滲氮、滲硼和多種非金屬元素共滲，如碳氮共滲、氮碳共滲、硫氮共滲、硫氮碳(硫氰)共滲等；滲金屬主要有滲鋁、滲鉻、滲鋅，鈦、鈮、鉭、釩、鎢等金屬與非金屬元素的二元或

2、多元共滲工藝也不斷涌現(xiàn)，例如鋁硅共滲、硼鉻共滲等。三、特 點(diǎn)周期長(zhǎng)，成本高工藝不受零件形狀限制（孔、槽容易獲得滲層）可以代替貴重金屬（節(jié)約資源）截面具有不同的性能是表面合金化與熱處理結(jié)合的方法四、化學(xué)熱處理基本過程滲劑：由含有欲滲元素的物質(zhì)組成，有時(shí) 還須按一定比例加入一種催滲劑，以便從滲劑中分解出含有被滲元素的活性物質(zhì)（初生的原子）催化劑：促進(jìn)含有被滲元素的物質(zhì)分解或產(chǎn)生出活性原子的物質(zhì)，它僅是一種中間介質(zhì)，本身不產(chǎn)生被滲元素的活性原子1、化學(xué)介質(zhì)分解目的：提供活性原子(初生、原子態(tài)的原子)要求：滲劑中含待滲元素催化劑活性原子濃度足夠活性原子形成方式 置換（滲金屬）；還原（滲B）；熱分解（滲

3、C、N）；電離（離子氮化）1 1） 分解反應(yīng)分解反應(yīng)普通氣體滲碳及氣體滲氮都屬于這一類。例如用甲烷滲碳: CH42H2十C2 2） 置換反應(yīng)置換反應(yīng)例如滲金屬時(shí)，常按下列反應(yīng)進(jìn)行（Me金屬代號(hào)） MeCIx+FeFeCl3+Me （鋼表面沉積出金屬）3 3）還原反應(yīng)還原反應(yīng)例如滲金屬時(shí)有時(shí)按下列反應(yīng)進(jìn)行： MeCIx+H2FeCl3+Me2、吸附吸附：金屬表面自發(fā)地吸附周圍活性原子、分子、離子的現(xiàn)象表面吸附溶入基體或與金屬反應(yīng)化合物再溶解擴(kuò)散物理吸附：無電子轉(zhuǎn)移和化學(xué)鍵形成凝聚不解離；由分子間力引起；無選擇性吸附；較低溫度下發(fā)生，完全可逆化學(xué)吸附：選擇性吸附；有電子轉(zhuǎn)移和化學(xué)鍵形成；高溫下發(fā)生

4、；選擇性吸附二者相伴發(fā)生3、擴(kuò)散目的：保證獲得一定深度的滲層控制參數(shù)介質(zhì)濃度梯度熱處理滲入溫度工藝時(shí)間2 鋼的滲碳目的表層高耐磨性，而心部好的韌性表層疲勞性能提高滲C種類氣體滲C固體滲C液體滲C為什么?一、氣體滲碳原理1、滲碳介質(zhì)分解滲 劑氣體滲劑：載氣（N基氣氛；吸熱式或放熱式可控氣體）+富化氣（甲烷、丙烷等）吸熱式氣體：天然氣與空氣按一定比例混合，CO、N2、H2%大液體滲劑：C、H化合物有機(jī)液體（煤油、甲醇、苯、丙酮）爐氣組成主要組成 CO、CO2、CH4、H2、H2O、N2 ，能否滲碳取決于它們的綜合作用增碳?xì)夥眨?CO 、CH4分解獲得 ：2CO CO2+ C CH4 C+2H2脫碳

5、氣氛： CO2、H2、H2O碳 勢(shì)（cp）定義： 爐氣C%與工件表面化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的爐氣狀態(tài)。即保持不增碳也不減碳時(shí)爐氣中的C%Cp滲碳能力 表面C%、滲層 但是當(dāng)Cp 太高 炭黑 滲速CO、CH4% Cp分解反應(yīng)（180多個(gè)）爐氣與工件氣體之間主要4種反應(yīng)溫度一定、吸熱氣氛中H2O CO2 cp 在一個(gè)體系中在一個(gè)體系中, ,相互制約相互制約, ,只有一個(gè)只有一個(gè)CO%CO%平衡常數(shù)與成分的分壓有關(guān)平衡常數(shù)與溫度有關(guān)（5）控制碳勢(shì)的方法露點(diǎn)儀（氯點(diǎn)儀）露點(diǎn)：水結(jié)露的溫度，水% 露點(diǎn) cp 原理：LiCl鹽感濕元件吸水導(dǎo)電性 控制系統(tǒng)通電水蒸發(fā)CO2紅外儀 原理：CO2選擇性吸收4.3m紅

6、外線紅外線強(qiáng)度 調(diào)節(jié)裝置控制氧探頭原理：O2 CO2 、H2O cpZrO氧敏陶瓷管內(nèi)、外氧%不同（內(nèi)為參比氣、外為爐氣） 氧濃差電勢(shì)調(diào)控（5）控制碳勢(shì)的方法稱重法稱重法：精密天平測(cè)量滲碳前、后的重：精密天平測(cè)量滲碳前、后的重量變化量變化綜上：多參數(shù)控制精度高，碳勢(shì)儀性能綜上：多參數(shù)控制精度高，碳勢(shì)儀性能分析對(duì)象分析對(duì)象反應(yīng)時(shí)間反應(yīng)時(shí)間 精度精度露點(diǎn)儀露點(diǎn)儀H2O34min1.5%紅外儀紅外儀CO、CO2、CH415s1%氧探頭氧探頭O20.52s1%2、吸收CO分別被吸附（化學(xué)）在Fe原子上C-O鍵破壞C進(jìn)入Fe晶格吸收條件表面清潔爐氣循環(huán)抽去吸收后殘留的廢氣控制分解速率避免炭黑出現(xiàn)3、擴(kuò)散

7、Fick第二定律粗略描述各點(diǎn)濃度、濃度梯度隨時(shí)間變化的情況溫度、時(shí)間影響滲層深度d，深度d與時(shí)間的平方根成正比影響擴(kuò)散的主要因素間隙原子擴(kuò)散系數(shù)置換原子溫度擴(kuò)散系數(shù)（925 1100 提高6倍）濃度梯度大擴(kuò)散，但分布要合理平緩、連續(xù)合金元素會(huì)影響滲速（或快、或慢），碳化物形成元素?cái)U(kuò)散快晶界、形變加快滲速二、氣體滲碳1、工藝流程材料：低碳鋼或低碳合金鋼預(yù)備熱處理? 滲碳前準(zhǔn)備 去油、去垢、清洗（熱水或碳酸鈉水溶液） 烘干涂防滲劑、裝爐布置確定溫度、時(shí)間、碳勢(shì)保證表面C%、層深、濃度梯度滲碳后工序直接淬火或重新加熱淬火低溫回火2、滲碳工藝參數(shù)（1）碳勢(shì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定通常表面為0.81.0% 好（2）

8、滲碳溫度通常880920，薄層滲碳溫度可以降低，快速滲碳提高滲碳溫度溫度對(duì)擴(kuò)散、分解均有影響，提高溫度縮短滲碳時(shí)間效率提高提高溫度滲層增加溫度過高粗晶；變形；設(shè)備壽命縮短A狀態(tài)滲碳容易（3）滲碳時(shí)間根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，隨爐抽樣檢查經(jīng)驗(yàn)估算滲層1.5mm，滲碳速度按照0.050.12mm /h3、典型工藝分析（四段滲碳）升溫：裝爐排氣（低碳勢(shì)、采用甲醇） 恢復(fù)滲碳溫度強(qiáng)滲期 高于或正常溫度、高于規(guī)定碳勢(shì)滲碳。時(shí)間經(jīng)驗(yàn)值擴(kuò)散期 正常碳勢(shì)，此時(shí)表面碳回流到爐氣中，同時(shí)還有一部分向心部擴(kuò)散，時(shí)間短 預(yù)冷目的直接淬火時(shí)的減少變形采用低碳勢(shì)防止脫碳三、固體滲碳滲劑90%木炭+催滲劑碳酸鹽工藝 工件埋入滲劑中密封

9、滲碳空冷清理重新加熱淬火回火特點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單；工藝容易；小批量方便；便于加工質(zhì)量難控；工作條件差；周期長(zhǎng)四、滲碳后的熱處理1、淬火（1）直接淬火滲碳后預(yù)冷 淬火原則預(yù)冷溫度心部Ac3 避免心部F或預(yù)冷溫度 心部Ac3第二次淬火目的細(xì)化表面組織加熱溫度 表面Ac1特點(diǎn)：性能好，但成本高、變形大適宜：本質(zhì)粗晶鋼；高溫滲碳件；性能要求高的工件2、回火低溫回火去應(yīng)力、提高韌性3、冷處理適用：精密零件目的：穩(wěn)定尺寸、提高硬度特點(diǎn)：成本高五、 滲碳后的力學(xué)性能表面獲得高硬度、高耐磨性，心部保持良好韌性表層高的疲勞強(qiáng)度（二次加熱淬火最好、一次加熱淬火次之、直接淬火效果差）滲層、C% 韌性六、滲碳后的質(zhì)量檢查1、

10、滲層深度化學(xué)法：剝層取樣分析金相法：檢測(cè)滲層剖面有效硬化層（DC）測(cè)定：1公斤（9.8N）載荷，HV550處到表面的距離，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2、心、表硬度六、滲碳后的質(zhì)量檢查3、組織表層組織：正常組織：M+少量殘余A+極少、小碳化物，對(duì)照評(píng)級(jí)圖，分別檢查以上三種組織心部組織：板條M+（少量F）4、其它：表層碳%；變形七、常見缺陷1、表層硬度低滲后冷卻或重新加熱時(shí)脫碳因表面碳%高，淬火殘余A%多（措施？）冷卻速度慢非M組織出現(xiàn)（重新淬火）內(nèi)氧化合金%降低淬透性下降非M （控制加熱氣氛、強(qiáng)冷、磨削、噴丸）2、表面硬度高碳勢(shì)高碳化物多回火溫度低3、缺陷組織表層網(wǎng)、塊狀碳化物碳勢(shì)高（碳勢(shì)控制失控）直接淬火預(yù)冷時(shí)

11、間長(zhǎng)碳化物析出一次淬火加熱溫度過低滲后碳化物未溶解滲碳淬火冷卻速度慢表層殘余A%多表面碳%高、合金%高、淬火溫度高冷卻介質(zhì)溫度高M(jìn)粗大心部出現(xiàn)F4、滲層淺、不均勻時(shí)間短、裝爐量大、漏氣層深淺爐氣循環(huán)不良溫度不均勻滲層不均勻表面不潔凈滲層不均勻5、內(nèi)氧化密封不好氧化氣氛6、變形超差7、心部硬度高：選材；淬火溫度高；冷卻快3 鋼的滲氮 （氮化）一、特點(diǎn)（與滲碳比較）1、更高的硬度及耐磨性2、具有紅硬性（滲碳200以上硬度下降。滲氮500仍然高硬度 ）3、疲勞性能好4、變形小、有規(guī)律滲氮溫度低、心部無相變、滲后不淬火直接使用5、抗“咬卡”性能好短時(shí)缺油過熱不會(huì)擦傷、焊合6、抗腐蝕性能好（抗腐蝕氮化）

12、7、周期長(zhǎng)、成本高、層淺二、Fe-N相圖1、 Fe-N相圖及共析反應(yīng)650，4.55N% 共析 +590，2.35N% 共析 +（Fe4N）2 2、組成相、組成相相：N在-Fe中的間隙固溶體，bcc，含N的鐵素體，具有鐵磁性相： N在 -Fe中的間隙固溶體，fcc，含N的奧氏體，無鐵磁性相：以Fe4N為基的固溶體，fcc，具有鐵磁性，脆性小，硬度高相： Fe23N化合物，硬度低于 ， hcp相：以Fe2N為基的固溶體，正交菱形，脆性大3、氮化層組織純鐵氮化后由表及里： + + 最表層白亮層： + 三層很薄、不容易腐蝕，難以區(qū)分統(tǒng)稱白亮層次表： + ，寬、含C、N心部：原始組織合金鋼氮化后形成合

13、金氮化物，組織與上相似（AlN、CrN、MoN）三、氣體氮化原理1、介質(zhì)無水NH3分解2NH3 2N+3H2 （吸熱）氮化是在NH3、H2混合氣中進(jìn)行NH3分解與溫度、流量、進(jìn)、排氣壓力、工件表面潔凈度、催化劑等有關(guān)，分解率（分解程度）并非越大越好，一般為1540%滲氮溫度下（ 500 540 ）接近完全分解2、氮原子吸收N部分被吸收 ，多數(shù)結(jié)合為N2 脫離表面氮?jiǎng)菀话爿^高容易形成相N向內(nèi)擴(kuò)散形成固溶體和氮化物3、擴(kuò)散N尺寸小擴(kuò)散系數(shù)大層深與時(shí)間的平方根成正比（與滲碳相似）4、合金鋼滲氮合金元素一般降低滲層深度C阻礙氮化降低滲層深度（形成碳化物阻礙N擴(kuò)散）Al、Cr、Mo 提高滲層硬度，因?yàn)椋?/p>

14、形成共格的G-P區(qū)（N與合金偏聚）形成過渡氮化物（共格） 時(shí)效強(qiáng)化（與滲碳不同）溫度高、時(shí)間長(zhǎng)非共格出現(xiàn)過時(shí)效氮化溫度和氮?jiǎng)莸虶-P區(qū)和過渡氮化物少硬度低四、氮化前的準(zhǔn)備氮化工藝流程：鍛造預(yù)備熱處理機(jī)械粗加工調(diào)質(zhì)半精加工去應(yīng)力退火粗磨氮化精磨1、預(yù)備熱處理調(diào)質(zhì)比氮化溫度高50 保證心部綜合性能、組織穩(wěn)定性2、調(diào)質(zhì)回火低心部和滲層硬度（析 出合金氮化物?。?；層深3、形狀復(fù)雜零件，調(diào)質(zhì)后加工去應(yīng)力（加熱溫度 調(diào)質(zhì)） 減少氮化時(shí)的變形4、防滲保護(hù)鍍Cu或Sn五、氣體氮化工藝1、氮化工藝參數(shù)（時(shí)間、溫度）氮化時(shí)間由層深確定氮化溫度根據(jù)硬度、層深選擇，但小于調(diào)質(zhì)溫度氮化溫度低滲層淺、陡、硬度高氮化溫度高

15、白亮層（表面出現(xiàn)白亮層、硬度下降強(qiáng)化效果小于過渡合金氮化物的時(shí)效強(qiáng)化作用）2、氮?jiǎng)葸x擇（1）國(guó)內(nèi)控制氨分解率測(cè)量分解率=廢氣中氫、氮體積/（廢氣中氫、氮、氨體積之和）實(shí)測(cè)分解率比真實(shí)分解率大分解率由經(jīng)驗(yàn)確定，有極大值（氨分解率過大轉(zhuǎn)變?yōu)镹2不利滲氮）,一般1540%控制氨流量控制氮?jiǎng)?，高流量（時(shí)間短）新鮮氨不斷流過（低分解率） 提供活性氮增加氮?jiǎng)莞吣壳盃顩r氮?jiǎng)萜呷菀壮霈F(xiàn)白亮層（2）國(guó)外控制N勢(shì)根據(jù)滲氮溫度及實(shí)驗(yàn)圖確定白層生成門檻值按照比例配置NH3+H2混合氣紅外分析控制NH3幾種氮化工藝舉例1、等溫氮化500520，7080h滲層：0.450.6mm變形??；周期長(zhǎng)；適宜精密工件2、多段氮化

16、510 ，5h，高N勢(shì)550 ，50h，低N勢(shì)周期短（比上者縮短1/3）變形大；硬度比上者低3、抗腐蝕氮化550650 ，27h 形成淺、致密、穩(wěn)定的相 抗?jié)窨諝?、過熱蒸汽、堿腐蝕六、氮化后的檢測(cè)1、心、表硬度：調(diào)質(zhì)回火溫度高表面硬度低氮?jiǎng)莸捅砻嬗捕鹊?、有效硬化層深度DN：3、組織(調(diào)質(zhì)鋼)正常組織：表層含氮回火索氏體；心部回火索氏體缺陷組織：表層針狀氮化物（氮化前F多造成）表層網(wǎng)、波紋狀氮化物（氮化溫度高、氣氛水%多、原始組織粗 吸N能力增加造成） 七、離子氮化（輝光或等離子）1、特點(diǎn)時(shí)間短節(jié)省2/3或1/3白層少或沒有變形更小可實(shí)現(xiàn)局部氮化氮化均勻適用各種材料及低溫氮化不污染設(shè)備昂貴、測(cè)

17、量溫度難2、原理工件陰極，真空容器陽(yáng)極觀點(diǎn)1高壓直流電電子向陽(yáng)極移動(dòng)氨氣電離N+、H +移動(dòng)工件（陰極）N+高速轟擊工件表面動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能達(dá)到氮化溫度（工件此時(shí)產(chǎn)生輝光）在陰極N+得到電子還原為N 滲入另外， N+高速轟擊工件表面Fe部分濺射為Fe+ 與N+結(jié)合表面形成FeN 分解Fe2N 擴(kuò)散觀點(diǎn)2認(rèn)為NH3不完全分解產(chǎn)生轟擊離子為NH2+、NH+因?yàn)橛肗2、Ar混合離子氮化無滲層3、工序清洗：否則會(huì)引起電弧損傷工件裝爐：局部非氮化部位屏蔽；工件之間有間隙參數(shù)選擇電參數(shù)：電流密度；電壓；功率熱參數(shù)：溫度；時(shí)間由材料、層深、硬度確定P261 表氣參數(shù)：純NH3或分解NH3；壓力；流量八、軟氮化

18、（N、C共滲） 在鐵素體中進(jìn)行，滲氮為主，因共滲脆性小，硬度低于氮化而得名1、介質(zhì)（無毒介質(zhì)）50%NH3+50%吸熱氣體20%NH3+80%放熱氣體國(guó)內(nèi)常用：尿素?zé)?C、N有機(jī)液體分解2、工藝 57010 ，14h 不熱處理，直接使用3、組織（滲層淺）最外層：化合層慢冷：基體+彌散氮化物Fe3N（含N低于相） 脆性小快冷：氮固溶于基體，無氮化物析出次表：擴(kuò)散層心部：原始組織（鑄鐵、不銹鋼、碳鋼、工具鋼）4、特點(diǎn)（與N化比較）溫度低、時(shí)間短、滲速快（機(jī)理不詳）變形更小不受鋼種限制疲勞性能更好沒有脆性層滲層薄不適合在重載荷零件5、應(yīng)用：模具、量具、刀具、承載不高的結(jié)構(gòu)件4鋼的碳、氮共滲一、概述1

19、、過程：同滲碳2、作用：同滲碳提高表面硬度、疲勞性能3、方法：固體、液體、氣體共滲 常用：高溫 820920 以滲碳為主； 低溫520580 即軟氮化，以滲氮為主4、用材：低、中碳鋼或低、中碳鋼合金鋼特點(diǎn)（與滲碳相比）更高的耐磨性、耐腐蝕（M中含N）滲層回火抗力提高（含氮化物）淬透性提高（N使C曲線右移）疲勞強(qiáng)度提高（殘余壓應(yīng)力）溫度低、變形小滲速加快滲層比氮化厚二、工藝介質(zhì)：滲碳?xì)怏w+110%NH3通常： 表面濃度0.8 C%；0.5N%溫度：800880 。溫度高滲碳為主時(shí)間：由滲層確定直接淬火低溫回火三、組織表層：回火M+ 殘余A+化合物（含C、N）N C曲線右淬透性升高滲層深但合金鋼中

20、因N化合物形成淬透性降低有可能產(chǎn)生非M組織心部：板條M或中碳混合M；淬透性差的材料有非M組織出現(xiàn)四、缺陷及措施殘余A多降低C%、N%黑色空洞：N%多N2逸出形成內(nèi)氧化：合金貧化淬透性降低形成非M組織（黑色組織）加Mo預(yù)防（抗氧化好）硬度低：提高冷卻速度；合理裝爐；加強(qiáng)爐氣循環(huán)5鋼的滲硼目的：表面獲得高耐磨性（打火機(jī)棘輪）性能超高硬度高熱硬性（800）抗腐蝕特點(diǎn)碳鋼與合金鋼滲B后硬度差異不大，可以節(jié)省材料費(fèi)用若改善基體性能，滲B后淬火、回火工 藝 方 法氣體滲容易爆炸不安全液體電解滲設(shè)備投資大；鹽難清理；腐蝕固體滲硼常用反應(yīng)機(jī)理不十分清楚反應(yīng)式 （P267 9-4042）配方：碳化硼、硼鐵等滲劑

21、+活化劑+Al2O3填充劑時(shí)間、溫度1050（避免共晶），一般950 ，46h，0.03mm層厚緩冷如淬火，應(yīng)采用緩冷介質(zhì)，并及時(shí)回火相 圖 、 、相：固溶體Fe2B：金屬間化合物 ，正方點(diǎn)陣；穩(wěn)定；脆性小、硬度高FeB：金屬間化合物 ，正交點(diǎn)陣；穩(wěn)定；脆；一般不出現(xiàn)滲硼層組織化合層擴(kuò)散層心部基體化合層組織： （FeB） +Fe2BFeB：位于表面，缺陷組織（脆）Fe2B：鋸齒狀（或位于次表）。C%鋸齒狀或二者共存：缺陷組織，因膨脹系數(shù)和密度差異裂紋合金% 滲層厚度滲層孔洞儲(chǔ)油減摩；但在滲硼模具成形軟金屬時(shí)表面黏附工件表面光潔度擴(kuò)散層：高碳（滲B驅(qū)碳 過渡區(qū)增碳）6 鋼的滲鋁特點(diǎn)抗高溫氧化（達(dá)到9501000）抗熱腐蝕代替不銹鋼、耐熱鋼經(jīng)濟(jì)效益提高機(jī)理鋼鐵材料表面形成鋁鐵化合物Al2O3氧化膜應(yīng)用沿海電站海軍艦艇航空發(fā)動(dòng)機(jī)滲鋁工藝方法及原理不加活化劑 鋁粉與工件表面直接接觸高溫?cái)U(kuò)散 例如：熱浸法 700780熔融鋁液中直接接觸形成金屬化合物（Fe2Al5）空冷高溫?cái)U(kuò)散退火滲層加活化劑 鋁粉或鋁